水泥—水玻璃双液注浆在隧道坍方中施工工艺处理及应用

张剑峰

【摘 要】 随着我国社会经济的快速发展，国家对基础设施建设的投资也越来越高，公路、铁路、水利工程项目建设占有很大的比重，同时，在这些项目建设的过程中伴随着大量的隧道工程项目建设。但由于地质条件较差、地质勘测不准确或施工方法不当等原因通常造成隧道坍方的问题。目前，处理坍方地段相对成熟的施工技术是采用超前管棚注浆加固松散坍方体，进行分步开挖，短进尺，强支护。同时，由于水泥—水玻璃双液浆凝结极其迅速，达到准确控制只需几秒钟到几十分钟，并且浆液凝固后的结石率高，结石体早期强度增长快。使得在处理不良地质地段隧道或隧道坍方的施工中通常应用双液注浆技术。

【关键词】 水泥-水玻璃双液注浆；隧道坍方；施工工艺；处理；应用

高等级公路建设在经过黄土地区时，通常采用隧道方案解决黄土山梁阻挡施工路线的问题。黄土山梁的组成通常是第三纪泥岩和上覆的第四纪黄土，隧道施工时进出口段大多是位于“泥岩夹心”地层，即中间为第三纪泥岩地层的黄土地层。但黄土与泥岩分界带附近土体呈软塑-流塑状，强度较低，形成原因是由于黄土具有很强的垂直渗透性，而第三纪泥岩基本上不透水，于是导致地下水渗流受阻。同时，隧道在开挖过程中导致地下水的渗流方向改变，使隧道成为地下水的排泄通道，于是隧道围岩周围富集大量水分，进一步恶化了围岩的工程性质。因此，在这种复杂地质的条件下，黄土与泥岩交界处的隧道围岩自身承重能力极差，极易发生坍方现象。所以，隧道施工极难成洞。即使成功成洞，但由于隧道洞身的承載力以及稳定性严重不足，无法控制沉降，不仅导致施工后期病害多，而且其病害多难以处理，是黄土隧道建设中亟待解决的技术难题。因此，黄土隧道施工建设必须根据室内和现场试验及工程实际，并合理控制水泥—水玻璃双液注浆的主要技术参数及施工工艺，从而制定合理的施工及问题解决方案。

一、水泥-水玻璃浆液性能

1、水泥—水玻璃浆液固化机理

水玻璃是一种水解后呈碱性的粘稠液体。当其被压入黄土中，即与黄土中的碱土金属相互作用，生成二氧化硅凝胶和一种水合硅酸盐的碱金属，于是二氧化硅凝胶和水合硅酸盐将黄土中的孔隙充填，使得黄土粒间胶结力增加，硬化土体，增加强度。同时，水玻璃加快了水泥的水化作用。在宏观上，缩短了水泥浆液的初凝时间，使得结石体早期强度增长明显加快。

2、水泥-水玻璃浆液特点

胶凝时间短，可准确控制时长。水泥-水玻璃浆液的胶凝时间通常受水泥浆水灰比、水玻璃溶液浓度、水玻璃溶液与水泥浆的体积比以及浆液温度影响，但在同一条件下，主要表现为：增加水泥中硅酸三钙含量，降低水泥浆的水灰比以及水玻璃溶液浓度，缩小水玻璃溶液与水泥浆比例以及提高温度，可明显缩短浆液的胶凝时间。

3、固结后的结石率高，且结石体的早期强度增长速度快，迅速提高隧道围岩的抗压强度。

4、水泥浆与水玻璃溶液有一个合适的配合比。

在合适的配合比下，水玻璃对强度的影响达到峰值，结石体强度最高。

二、注浆目的

利用水泥—水玻璃浆液胶凝时间短且可准确控制胶凝时间，固结后的结石率高以及结石体早期强度大等特性，按照劈裂灌浆原理，采用水泥-水玻璃双液注浆方法，即通过相对较高的灌浆压力使水泥和水玻璃两种浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，从而导致土体结构扰动及破坏，扩张黄土层中原有的孔隙或裂隙，甚至形成新的孔隙或裂隙，进而增大饱和黄土层的可濯性和浆液扩散距离，使浆液混合并迅速凝结。同时，网状浆脉在土体中的形成，水分不仅能够通过浆液被强制挤出，还可通过水化热吸收，使得土体含水量降低的目的得以实现。另外，土体形成的网状加筋复合体还可使得饱和黄土的强度得到提高。

三、浆液扩散半径

浆液扩散半径，即满足工程要求的浆液扩散距离，而并不是浆液扩散的最远距离。由于黄土在水平向和竖直向的渗透系数不一样，导致理论扩散半径与实际扩散半径差异很大。因此，确定扩散半径宜以现场试验依据。同时，在扩散半径设计时，所取数值要求多数条件下可以达到，而不是简单地选取平均值。

四、试验注浆存在的问题及改进措施

1、注浆孔间距设计

造成注浆效果不理想的主要原因通常是注浆孔间距较大，同时未合理控制注浆孔密度。理论上，通常根据浆液的类型和胶凝时间，注浆目的，注浆的具体技术指标，围岩或土的裂隙和渗透性情况以及注浆孔的大小等进行注浆孔间距的初定。当然，注浆孔间距最终确定必须以现场试验为依据。在岩石工程中，双液固结注浆孔间距一般取值范围为2～4m。为保证松脱的围岩在固结后能与一次衬砌共同维护隧道稳定，同时保障其在换拱时自稳能力足够。因此，务必保证固结效果达到施工要求。同时，固结软弱的围岩，即使由于松脱、坍方等因素存在较大的孔洞和裂隙，仍不宜选取较大的孔距。另外，在双液注浆情况下，选取合理注浆孔径，增大接触岩层裂隙的机会，以期获得均匀理想的灌注效果。

2、注浆顺序控制

浆液浪费，注浆效果不好通常是由于注浆顺序设计不合理，导致施工混乱，造成加固区域以外也有部分浆液流至，增大注浆量。另外，由于一次钻孔个数太多，导致钻孔严重串浆而报废，同时，事后也没有补孔也是重要原因之一。因此，通常采取分段围封-逐渐加密原则保证注浆质量，避免浆液流失和串浆。分段围封即将病害隧道分成若干独立的注浆段，然后先注每一注浆段的两端和边墙，封闭注浆段外围以免浆液外流。逐渐加密即对于已围封的注浆段，任一序排的注浆孔都在上一序排的注浆孔间距之间，这样能够逐渐提高注浆压力，保证注浆效果，同时，避免注浆孔之间的串浆。另外，随着注浆的进行，注浆孔数量也可根据实际情况适当的增加。

3、注浆方式选取

最初，在不漏浆的情况下通常会采用连续性注浆方式。但观察表明，此种方式的浆液渗透极不均匀，浆液扩散较远，经常出现漏浆现象，导致注浆量增大。同时，由于注浆压力不足，浆液在注入过程中大幅度延长胶凝时间以及地层渗透能力的不均导致小裂隙没有得到很好的灌注。

根据水玻璃浆液在砂土中的渗流试验研究结果以及相关文献表明，将原来的连续性注浆改为间歇性注浆，可使获得的固结效果更加理想均质。具体原因是间歇性注浆可使浆液在大裂隙中及时胶凝，保证渗透距离；同时逐渐升高注浆压力，迫使浆液向较小裂隙中渗透，从而形成均质的固结体。间歇时间视浆液的凝胶时间而定，稍短于浆液的凝胶时间。另外，间歇频率视具体情况而定。

4、施工质量管理

在注浆施工过程中，不按照施工要求的注浆将会严重影响注浆质量。因此，相关部门需及时监督检查，保证注浆施工正常，有质量完成。

通过采取以上措施，逐步提高注浆效果，并最终达到较为满意的注浆效果，使得换拱工作能够安全顺利地进行。

五、工程实例

1、工程概况

韩北隧道位于山西省长治市武乡县韩北乡，为二级公路隧道，隧道下穿韩北乡生活供水蓄水池，K16+407～K16+526段土体为饱和黄土层，含水量高达30.4%～31.7%，当开挖至K16+475～K16+476段时，洞顶出现坍方，初支钢架出现变形、侵限，致使施工被迫中断。

2、处治措施设计

注浆参数：采用隧道开挖掌子面超前分段注浆方式，每段长度4m，加固范围沿隧道周边呈半环形，厚度4～6m，浆液扩散半径0.8m，注浆速度30～40L/min，注浆压强0.6～2.5MPa，单孔注浆量为1.2～1.8m3，水泥浆的水灰比为0.75：1～1.0：1（重量比），水玻璃浓度35～40，模数2.8～3.1，水泥浆与水玻璃溶液体积比1：1。

注浆孔布置：开挖掌子面横断面注浆孔的设计间距1.1m，排距2.0m，并交错布置，纵断面呈扇形布设，注浆孔角度±45°。

施工工艺：采用封闭体系定量注浆工艺，先注外圈，形成一个封闭的环，后加固封闭圈内的土体。隧道施工顺序按双液注浆加固→超前支护→断面开挖交替方式进行，直至通过饱和黄土段。

六、结语

在隧道施工过程中，在隧道施工过程中，切忌盲目追求施工速度，務必贯彻“先排水、短进尺、快支护、早封闭、勤量测”的原则。实践表明，在注浆孔中插入钢筋，能有效地加强围岩物理力学性能，提高围岩抵抗破坏能力，在钢筋与浆液的共同作用下加固巷道。另外，针对注浆施工条件恶劣情况，甚至采间歇注浆也没有效果，需停止注浆，并清洗注浆孔，一定时间后进行补注；若因隧道拱顶破坏严重，甚至发局部生坍方现象，为保证安全施工采取相应的措施而导致注浆施工受到影响，需加强施工监督和管理，及时解决施工中出现的问题，保证施工质量。因此，在处理隧道坍方施工过程中，水泥-水玻璃双液注浆是其关键环节，实际注浆施工时，必须择合理的注浆参数及工艺，并进行动态控制。

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